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基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究(2)
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摘要:图5 双侧扭转刚度约束条件和载荷工况 2.2.3尾门单侧扭转刚度分析 约束条件见图6,载荷工况:在尾门左侧缓冲块位置施加y’向100N的载荷。 图6 单侧扭转刚
图5 双侧扭转刚度约束条件和载荷工况
2.2.3尾门单侧扭转刚度分析
约束条件见图6,载荷工况:在尾门左侧缓冲块位置施加y’向100N的载荷。
图6 单侧扭转刚度约束条件和载荷工况
2.2.4尾门中部刚度分析
约束条件见图7,载荷工况:在尾门中部缓冲块位置施加y’向100N的载荷。
图7 中部刚度约束条件和载荷工况
2.2.5尾门角刚度分析
约束条件见图8,载荷工况:在尾门下部缓冲块位置施加y’向100N的载荷。
图8 角刚度约束条件和载荷工况
2.3 性能分析对比
依据2.2节分析标准对塑料尾门的弯曲刚度、双侧扭转刚度、单侧扭转刚度、中部刚度、角刚度进行分析,各工况下的位移云图如图9~13所示,刚度分析结果见表2。通过分析比对可知,塑料尾门刚度性能均满足设计目标要求。
图9 尾门弯曲刚度分析位移云图
图10 尾门双侧扭转刚度分析位移云图
图11 尾门单侧扭转刚度分析位移云图
图12 尾门中部刚度分析位移云图
图13 尾门角刚度分析位移云图
3 轻量化效果分析
为得到塑料尾门减重效果,将塑料尾门与原钢材质尾门模型进行比较(见表3),通过数据对比可知塑料尾门相比钢材质尾门约减重37%。
4 总结
文章以满足刚度性能要求为目标来进行尾门轻量化设计,将传统的钢材质尾门用塑料材质来替换,并对尾门结构进行设计更改,通过对各工况下尾门的刚度进行有限元仿真分析,在尾门刚度性能达到目标的同时,实现尾门的轻量化设计。
前言
随着全球汽车保有量的不断增多,全球能源危机和环境污染日益严重,因此对汽车节能减排的要求也不断提高。据统计,汽车重量每减轻10%,油耗可降低6%-8%,尾气排放可下降4%。汽车轻量化是汽车节能减排的重要措施,也是当代汽车发展的必然趋势。汽车轻量化设计主要有2 种方式:(1)设计更加合理的结构,从而避免过设计;(2)采用新材料替换原有传统材料,通常采用铝合金、镁合金、复合材料等轻型材料或高强度钢替代普通低碳钢提高性能,减轻重量[1]。
二种方式中轻量化效果最为明显的为第二种,同时也是最具有挑战的一种,必须在改变零部件材料的同时满足刚度性能指标。因此本文以某车型尾门为研究对象,将钢材质的尾门内外板替换为塑料材质,在保证刚度满足性能目标的前提下,实现尾门的减重。
1 塑料尾门的设计开发
1.1 传统钢材质尾门总成结构
尾门总成由尾门外板与内板焊接总成构成(图1),外板与内板焊接总成通过包边工艺实现连接,尾门内板总成由内板与加强件通过点焊构成。尾门外板材质为B170P1,板厚为0.7mm;尾门内板材质为DC06,板厚为0.6mm。
1.2 塑料尾门设计
对于尾门设计来说,不论是传统钢材料尾门还是塑料材质尾门,其性能要求都是一样的,例如刚度、模态和耐久等性能。对于塑料尾门,如何满足刚度性能,往往是塑料尾门设计的难点。
图1 钢材质尾门总成结构图
1.2.1塑料尾门内、外板材质确定
目前市场上配置塑料尾门的车型,尾门外板材料均为PP热塑性材料,尾门内板根据选用的成型工艺不同,往往选择热塑性材料的PP+LGF或热固性材料SMC[2]。本尾门轻量化方案中,尾门外板采用PP+EPDM+TD20材料,尾门内板采用PP-LGF40-0455材料,尾门加强件的材料与原钢结构加强件材质相同。尾门内、外板及加强件的材料技术参数见表1。
1.2.2塑料尾门内、外板厚度确定
在以往的设计中,将传统钢板冲压零件替换为低密度合金板材冲压件时,替换后的板材厚度可以通过等刚度替换理论的下式(1)计算得出。
(1)
式中:
Ep为层合板等效模量;
Es为原结构材料的弹性模量;
hp,hs为横截面高度(或厚度)[3]。
若基于等刚度替换理论确定塑料尾门内、外板的厚度,这样计算得出的内外板厚度会很厚,无法满足注塑工艺要求。因此,等刚度替换理论不适合塑料尾门设计,塑料尾门内外板厚度确定应以注塑工艺要求为基准确定。选择料厚时需考虑注塑模具压力,外板表面抗凹性及浇口布置等因素,通常塑料尾门内外板要满足注塑工艺要求,主体厚度需设计在3mm以下。结合竞品车测量数据,最终选定塑料尾门外板主体厚度为3mm,尾门内板主体厚度为2.5mm。
文章来源:《塑料》 网址: http://www.slzzs.cn/qikandaodu/2020/1107/617.html